第四部分：软件无线电中采样理论
软件无线电复习资料
复习与思考题第1 章1.什么是软件无线电？其主要特征是什么？2.无线电技术经历或正在经历哪几个阶段？各有什么特征？3.软件无线电产生的背景是什么？要解决什么问题？4.什么是SCA？其与SDR 有什么关系？5.软件无线电的实现技术有哪些？其发展的技术瓶颈有哪些？6.为什么软件无线电一定要采用“硬件通用化”的设计准则？在软件无线电中是如何体现“硬件通用化”这一设计思路的，请按照射频前端和信号处理单元分别加以解释。
7.你是如何理解软件无线电“功能软件化”这一本质特征的？为什么软件无线电的功能可以采用软件来实现？8.理想软件无线电跟实际软件无线电的主要区别是什么？Joseph Mitola 博士提出的理想软件无线电的重要意义是什么？9.软件无线电的结构如何？各部分的作用是什么？第2 章1.低通采样定理以及计算方法。
2.带通采样定理以及计算方法。
3.信号采样在软件无线电中的作用以及采样方式对软件无线电接收机结构的影响是什么？4.什么叫超外差体制？软件无线电中的超外差体制与常规的超外差有哪些不同？软件无线电超外差体制的最大特点是什么？（提示：从软件无线电的射频宽开化、中频宽带化要求考虑。
）5.什么是抽取？其作用是什么？6.什么是内插？其作用是什么？7.为什么不能直接进行抽取或内插操作？应该怎么办？8.什么叫射频直接带通采样？它跟带通采样相比较有哪些特点？射频直接带通采样为什么需要设置一个跟踪滤波器？它有什么作用？9.射频直接带通采样主要由哪些关键部件组成？为什么说射频直接带通采样非常接近于理想软件无线电结构？10. 当抽取倍数很高时，采用多级级联抽取有什么好处？11.什么叫多相滤波？在软件无线电中采用多相滤波的意义何在？12.什么是半带滤波器？为什么要叫这样的滤波器为“半带”滤波器？半带滤波器有些什么特点？13.什么是积分梳状滤波器？有哪些特点？在抽取/ 内插中为什么要使用积分梳状滤波器？14.对一个信号进行正交分解的意义是什么？无线电信号的三大瞬时特征是什么？作为通信信号分别有什么含义和作用？如何通过正交分解提取这三大瞬时特征？15.什么是射频信号的正交基带分量？请写出正交基带分量的数学表达式，及其提取正交基带分量的数学运算过程。
软件无线电的原理与应用pdf
软件无线电的原理与应用1. 简介软件无线电（Software-Defined Radio，简称SDR）是一种通过软件控制而不是硬件电路来实现无线电通信的技术。
通过使用软件无线电技术，可以实现对无线电信号的灵活处理和调整，极大地提升了无线通信系统的灵活性和适应性。
2. 软件无线电原理软件无线电的原理是基于数字信号处理的技术，通过将无线电信号转换为数字信号进行处理。
具体步骤如下：2.1 信号采集软件无线电使用无线电频率下的天线将无线电信号转换为电信号，并通过模拟到数字转换器（ADC）将其转换为数字信号。
2.2 数字信号处理经过信号采集后，信号被传输到数字信号处理单元。
在数字信号处理单元中，信号进行解调、滤波、调制等操作，以提取出所需的信息内容。
2.3 软件控制软件无线电技术的核心是通过软件控制对信号进行处理。
软件控制可以灵活地调整无线电通信系统的参数和功能，以适应不同的应用需求。
3. 软件无线电的应用3.1 无线电通信软件无线电技术广泛应用于无线电通信领域。
与传统的硬件无线电相比，软件无线电可以实现更灵活的通信方式和更高的通信效率。
软件无线电还可以应用于频谱监测、频率跳变通信等特殊通信场景。
3.2 网络安全软件无线电技术在网络安全领域也有重要应用。
通过使用软件无线电，可以实现对无线通信的安全监测和加密处理，有效防止无线通信受到黑客攻击和信息窃取。
3.3 物联网软件无线电技术在物联网领域具有广泛应用前景。
通过软件无线电，可以实现对物联网设备的远程监控和管理，提升物联网系统的可靠性和灵活性。
3.4 天文学软件无线电技术在天文学研究中也有重要应用。
通过软件无线电，可以接收和处理来自宇宙的微弱无线电信号，帮助科学家研究宇宙起源、星系演化等重要问题。
4. 软件无线电的优势4.1 灵活性软件无线电技术可以通过改变软件的配置和参数来实现不同的无线电通信功能，极大地提高了系统的灵活性和适应性。
4.2 可升级性通过软件控制，软件无线电系统可以进行远程升级和更新，无需更换硬件部件，提高了系统的可升级性和维护性。
软件无线电原理与技术 (4)
信号x(t)，其采样速率为
2 fH n
fs
2 fL n 1
式中，n为正整数，满足：
(4-10)
1
n
ห้องสมุดไป่ตู้
fH B
c
1
(4-11)
第4章 采样技术与量化
图4-5 (a) 一般情况； (b) 整数、半整数频带情况
第4章 采样技术与量化
带通采样的结果如图4-6所示。带通采样后信号的频谱也同 样出现周期性的重复。具体就不再推导，请参阅相关文献。由图 4-6可以看出：
(1) 带通采样速率远低于低通采样速率。 (2) 时域高频的信号经过带通采样后成为了低频信号，这是 带通的混叠现象，如图4-6(a)所示。 (3) 实信号具有对称的正负频率部分，带通采样后由于混叠 造成正频率谱部分和负频率谱部分交替出现，带通采样速率必须 保证正负频率部分不发生混叠。这一点对带通采样速率的选取非 常重要。 下面分别详细说明这些问题。
在xs(t)中包含了x(t)的全部信息。
第4章 采样技术与量化 图4-2 采样频谱
第4章 采样技术与量化 如果该要求不能满足，则频谱之间会发生重叠而导致失真，
该失真称为混叠(Alising)。 图4-3所示为采样的混叠现象。
图4-3 采样的混叠现象
第4章 采样技术与量化
如果采样速率满足要求，则频移后有效的频谱分量相互
第4章 采样技术与量化
采样方式一般分为均匀采样和非均匀采样两种。非均匀采样 指采样点之间的间隔是非等间隔的，不论采样信号频率高低，非 均匀采样均可根据采样信号的频率自动调节采样点数，保持周期 内的采样点数固定，根据输入信号合理分配后续计算和存储资源。 但采用该方法会加重后续数字信号处理的负担，这对软件无线电 的实现不利。均匀采样以等时间间隔采样，采样后的信号频谱呈 周期性分布，有利于理论分析和具体实现的信号还原，适合于软 件无线电平台。
第二章软件无线电的体系结构ppt课件
软件无线电节点配置要求：
➢ 一个软年无线电节点可以进行个性配置， 可以改变空间接口的任何方面，如信号是否 跳频，是否扩频，当然改变配置后所需要的 资源（如运算容量、存储容量，带宽等）不、 能超过系统本身所能允许的最大限量。
➢ 进行了个性化配置的这样一个软件无线 电节点，可以将它的新的配置进行上载 (Upload)，传给服务供应商(Service Provider) 或软件无线电基站，而其它需要以这种个 性化方式进行通信的节点，就要从空中先 进行下载，将配置安装在自身的节点上再 进行通信.当然每一个新的个性化配置在使 用之前都应先确保其正确性和安全性。
➢ 传统通信需人工干预的控制很少，只有像电源 开关、音量控制等几个简单的控制功能；
➢ 软件无线电在此基础上扩展多频带、多模式、 多线程以及多个性化的特点；
软件无线电信道可扩展成三部份： ➢ 可编程的RF/信道接入部份,是对多个射频段和其 它信道的接入部份进行自动的接入； ➢ 中频部份主要是进行滤波、频率变换、波束形成 等处理； ➢ 调制解调部份包括了多种可用的调制技术；
图 软件无线电的拓扑结构
拓扑模型的好处： ➢ 可以明确系统顶层的即插即用接口； ➢ 可以预测和控制系统的性能； ➢ 为建立标准定义一个参考模型； ➢ 为产品的演化提供一个体系； 拓补模型的特点： 1.节点和有向线段可以带有有关的重要特性,这些重要 特性构成拓补空间的维数; 2.一个拓补结构包括了很多的空间,在这些空间上可以 从不同的角度得到系统的重要特性。
➢ 授权：确认用户可以访问数据或使用网络; ➢ 完整性：采用加密技术和编码技术保证信息的完整
性; ➢ 隐私：采用加密技术实现; ➢ 认证：简单口令或高级的加密的技术; ➢ 认可：接收者和传送者都肯定各自的行为,采用数字
软件无线电重点
1、软件无线电的核心思想：可重配置性。
采用开放的、标准化的通用平台构造无线电系统，使宽带ADC/DAC尽可能的靠近天线，用软件实现尽可能多的无线电功能，并通过软件实现功能的设定和升级，使通信系统具有多频带、多模式的通信能力。
2、软件无线电的定义：（1）、软件无线电是多频带无线电，它具有宽带的天线、射频转换、模/数和数/模转换，能够支持多个空中接口和协议，在理想状态下，所有方面（包括物理空中接口）都可以通过软件定义。
（2）软件无线电是一种新型的无线体系结构，它通过硬件与软件的结合使无线网络和用户终端具有可重配置能力。
软件无线电提供了一种建立多模式、多频段、多功能无线设备的有效而且相当经济的解决方案，可以通过软件的升级实现功能提高。
软件无线电可以使整个系统（包括用户终端和网络）采用动态的软件编程对设备特性进行重配置。
3、软件无线电的特点：（1）、可多频带/多模式/多功能工作。
（2）、具有可重配置、可重编程能力。
4、硬件体系结构的分类：1按照物理介质划分：第一种是以通用处理器GPP为基础的结构。
第二种是以DSP为基础进行数字信号处理的体系结构。
第三种是以FPGA为基础进行数字信号处理的体系结构。
2按照系统中各功能模块的连接方式划分的硬件体系结构：1流水式结构2总线式结构3交换式结构4基于计算机和网络式结构5、比较DSP和FPGA的性能：1硬件结构，DSP采用哈佛结构 FPGA器件由大量的逻辑宏单元组成 2 灵活性 DSP处理器软件更易改变，而硬件个管脚是固定的.FPGA则需通过改变FPGA中构成DSO系统的硬件结构来改变硬件功能。
3 适用场合 DSP适用于状态复杂的操作 FPGA适用于简单重复的操作和需要并行处理的操作。
4处理能力 DSP处理速度慢 FPGA 处理速度快 5开发流程 DSP的仿真必须有合适的硬件平台 FPGA有多个层次的仿真测试和硬件调试环节 6开发技术标准化不同的DSP处理器结构有较大区别，需选择不同的汇编语言机仿真开发工具和编码软件 FPGA则采用开发技术的标准化和规范化。
软件无线电简介
软件无线电技术一、软件无线电的起源软件无线电(Software Radio) 这个术语,最早是美军为了解决海湾战争中,多国部队各军兵种进行联合作战时,所遇到的互联互通互操作(简称“三互”) 问题,而提出来的。
军用电台一般是根据某种特定用途设计的，功能单一。
虽然有些电台基本结构相似，但其信号特点差异很大，例如工作频段、调制方式、波形结构、通信协议、编码方式或加密方式不同。
这些差异极大地限制了不同电台之间的互通性，给协同作战带来困难。
同样，民用通信也存在互通性问题，如现有移动通信系统的制式、频率各不相同，不能互通和兼容，给人们从事跨国经商、旅游等活动带来极大不便。
为解决无线通信的互通性问题，各国军方进行了积极探索。
1992年5月，在美国通信体系会议上，MITRE公司的JoeMitola首次明确提出软件无线电的概念。
二、软件无线电概念及特点所谓软件无线电，就是说其通路的调制波形是由软件确定的，即软件无线电是一种用软件实现物理层连接的无线通信设计。
软件无线电的核心是将宽带A/D、D/A尽可能靠近天线，用软件实现尽可能多的无线电功能；其中心思想是在一个标准化、模块化的通用硬件平台上，通过软件编程，实现一种具有多通路、多层次和多模式无线通信功能的开放式体系结构。
应用软件无线电技术，一个移动终端可以在不同系统和平台间畅通无阻地使用。
软件无线电的主要优点是具有多频段、多功能通信能力和很强的灵活性，可以通过增加软件模块,很容易地增加新的功能。
它可以与其它任何体制电台实现空中接口进行不同制式间的通信,并可以作为其它电台的射频中继；还可通过无线加载来改变软件模块或更新软件；亦可以根据所需功能的强弱,取舍选择软件模块，降低系统成本,节约费用开支。
此外，软件无线电具有较强的开放性系统软件。
由于采用了标准化、模块化的结构,其硬件可以随着器件和技术的发展而更新或扩展，软件也可以随需要而不断升级。
软件无线电不仅能和新体制电台通信,还能与旧式体制电台相兼容。
《软件无线电技术》PPT课件
3.2 软件无线电结构数学分析化
•数学分析的必要性
1. 要掌握一个软件模块的数据吞吐量、响应时间及其他 参数，对存储器、缓存空间和可处理资源进行量化，要 求数学分析。 2. 当重用自己软件库（或第三方）的软件时，会引起系 统性能下降，甚至崩溃，要用数学模型来刻画快速涌现 的技术。 3. 用拓扑结构特性研究SDR结构，可提高即插即用结构 的应用和资源的有效重用。
•美国
•SPEAKeasy：研制多频段、多模式电台(MBMMR)，已 完成两个阶段(Ⅰ、Ⅱ) •MMITS论坛(后更名为SDRF论坛) •PMCS(Programmable Modular Communication System)
研究基于SDR技术的3G系统的多频段多模式手机与基 站。
•中国
提出了3G标准TD-SCDMA，SDR技术是其关键技术之一。
1.6主要研究机构及其应用进展
1.1 软件无线电的基本思想
•由来
•基本思想:在尽可能靠近天线的地方使 用宽带A/D和D/A变换，并且尽可能多地 用软件来定义无线功能 •软件无线电台=高速计算机+天线 •无线电通信的一次革命 •模拟无线电（1G）
•数字无线电（2G） •软件无线电（3G）
所有的无线通信系统均可基于一种通用 可编程硬件平台，工作频段、编解码方式、 调制解调方式、加密解密算法、多址方式等 均可编程，通过注入不同的软件，形成不同 标准的软件无线电终端或基站。这样的无线 电台既可以与现有的其他无线电台进行通信， 还能在不同的无线电系统之间起到“无线电 网关”的作用，保证各种无线通信业务的无 缝集成。
• FIRST(Flexible Integrated Radio Systems Technology) 计划用SDR技术设计多频/多模可编程手机
软件无线电的原理与应用
软件无线电的原理与应用1. 简介软件无线电是一种通过软件定义的方式实现无线电通信的技术。
它利用计算机软件来实现原本需要硬件电路来实现的信号处理和调制解调功能。
本文将介绍软件无线电的基本原理和应用。
2. 软件无线电的基本原理2.1 软件定义的无线电软件无线电利用计算机的数字信号处理技术来实现基带信号的处理和调制解调功能。
传统的无线电设备通过硬件电路来完成这些功能，而软件无线电则将这些功能移至计算机中的软件部分处理。
这样做的好处是可以通过改变软件的配置参数来实现不同的无线电通信功能。
2.2 软件定义的无线电系统架构软件定义的无线电系统由两部分组成：无线电前端和计算机后端。
无线电前端负责将无线电信号进行放大、滤波和变频等操作，使其适合输入到计算机中进行数字信号处理。
计算机后端则负责对输入的信号进行调制、解调、编码、解码等处理操作。
3. 软件无线电的应用3.1 无线电通信软件无线电可以应用于传统的无线电通信领域，如移动通信、卫星通信等。
通过使用软件定义的无线电设备，可以实现更加灵活和高效的无线电通信系统。
3.2 无线电频谱监测与管理软件无线电可以通过对无线电频谱的监测和管理，实现对无线电频谱的有效利用。
通过对无线电频谱的监测，可以及时发现并处理频谱污染和干扰问题，提高频谱利用效率。
3.3 无线电研究与实验软件无线电可以用于无线电研究和实验。
通过软件定义的无线电设备，可以方便地进行各种无线电实验和研究，快速验证新的通信协议和算法。
3.4 无线电安全与防护软件无线电也可以用于无线电安全与防护领域。
通过对无线电频谱的监测和分析，可以发现和防范无线电通信中的安全隐患，提高无线电通信的安全性和可靠性。
4. 软件无线电的未来发展软件无线电作为一种新兴的无线通信技术，具有较大的发展潜力。
随着计算机和通信技术的不断发展，软件无线电将在未来得到更广泛的应用。
预计在未来几年内，软件无线电技术将逐渐取代传统的无线电设备，成为主流的无线通信技术。
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Agenda
窄带中频采样数字化 宽带中频采样数字化 射频直接带通采样数字化 Q&A
宽带中频采样数字化
为什么叫宽带？ 处理带宽远远大于信号带宽，在处理带宽内 包含多个信道。对于信道分离处理由后续的信 号处理器以及软件来完成，通过加载不同软件 可以实现对不同体制、不同带宽以及不同种类 信号的接收调制。适应性和扩展能力增加
窄带中频采样数字化
为什么叫窄带？ 处理带宽和信号带宽基本相等
跟踪 滤波器
A/D
DSP(软件)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
fs B 2
2n 1 f0 fs 4
fs
实际应用中的限制
（1）当采样速率fs固定时，该模型所能处理的 信号的中心频率只有有限的几个，即：
2n 1 f0 fs 4
(n 0,1, 2,...)
而处理带宽为采样速率一半，即：
1 B fs 2
（2）A/D前面的抗混叠跟踪滤波器无法实现，因 为它要求该滤波器在整个频带（0.1MHz～ 2.24GHz）都保持相同的滤波器带宽和阻 带特性
这个基本上是不可实现的
为了解决（2）的问题，采用超外差接收 体系，先用一个本振信号与输入信号混 频，将其变换为统一的中频信号，然后 再数字化
FPGA/CPLD
在软件无线电中的工程应用
软件无线电中采样理论篇
中嵌教育() David 编著
Agenda
窄带中频采样数字化 宽带中频采样数字化 射频直接带通采样数字化 Q&A
软件无线电中的采样理论
由于软件无线电覆盖的频率范围很宽（因为 软件无线电必须具有很广泛的适应性），所 以采用Nyquist采样定理基本上是不现实的， 在软件无线电中通常使用带通采样 下面介绍几种基于FPGA的采样数字化模型
好处 带宽增加，本振步进可增加，简化本振源的 设计，有利于减小体积、改善性能、降级成本
宽带中频采样数字化接收机图示
Agenda
窄带中频采样数字化 宽带中频采样数字化 射频直接带通采样数字化 Q&A
射频直接带通采样数字化
为了尽量减少天线与A/D之间的模拟信号处 理环节，又因为实际信号的带宽都是比较窄 的，在单独对某一信号进行接收解调时，可 以直接利用带通采样原理对其数字化
fs Bs B 2
2n 1 f0 f s | f L fi | 4
放大 A/D DSP(软件)
fi fL
滤波器
fs
通过改变本征频率fL，就可以完成对不同 信号fi的数字化，而这时A/D前的滤波器中 心频率是固定不变的 软件无线电的 核心思想
最大的缺点是适应性和可扩展性不足
跟踪滤波
放大
A/D
DSP(软件)
f0 B3dB B0
采样脉冲源(DDS)
Bs f s / 2
射频直接带通采样特点
通常用于单独对一个信号进行接收解调 天线与A/D之间计较接近，之后跟踪滤波器 和放大器。如果A/D灵敏度足够高，连放大 器都可以不要。因此这种结构和理想化的软 件无线电是比较接近的 对FPGA的处理速度要求很高